传感器原理及应用(第八章第一节).pptVIP

 普通高等教育“十一五” 国家级规划教材传感器原理及应用(第3版) 王化祥 张淑英 编著 第8章 固态传感器 由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世。这类传感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料，在力、磁、热、光、射线、气体、湿度等因素作用下引起材料物理特性变化，通过检测其物理特性变化即可反映被测参数值。它与前述各种传感器相比，具有如下特点: ①由于传感器原理是基于物性变化，因而没有相对运动部件，不存在磨损问题，可以做到结构简单，小型轻量; ②感受外界信息灵活，动态响应好，并且输出为电量; ③采用半导体为敏感材料，容易实现传感器集成化、一体化、多功能化、图像化、智能化; ④功耗低，安全可靠。 传感器原理及应用 但是，固态传感器也存在如下问题: ①因为固态传感器输出特性一般为非线性，所以线性范围较窄，在线性度要求高的场合应采用线性化电路; ②输出特性易受温度影响而产生漂移，所以往往要采取温度补偿措施; ③过载能力差，性能参数离散性大。 虽然固态传感器存在上述问题，但是它仍代表着目前传感器发展的方向。尤其是随着大规模集成电路技术不断发展，固态传感器技术也日臻完善。可以断定，固态传感器的出现和发展将使检测技术进入一个崭新阶段。 传感器原理及应用 §8-1 磁敏传感器 磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。虽然早在1856年和1879年就发现了霍尔效应和磁阻效应，但是作为实用的磁敏传感器则产生于半导体材料发现之后。在20世纪60年代初，西门子公司研制成第一个实用的磁敏元件;1966年又出现了铁磁性薄膜磁阻元件;1968年和1971年日本索尼公司相继研制成性能优良、灵敏度高的锗、硅磁敏二极管;在1974年美国韦冈德发明双稳态磁性元件。目前上述磁敏元件均已商品化。 传感器原理及应用 一、霍尔元件 (一)霍尔效应 图8-1为霍尔效应原理图。在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流I，假设载流子为电子(N型半导体材料)，它沿与电流I相反的方向运动。由于洛仑兹力fL的作用，电子将向一侧偏转(如图中虚线箭头方向)，并使该侧形成电子的积累。而另一侧形成正电荷积累，于是元件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力fE与洛仑兹力fL相等时，电子的积累达到动态平衡。这时在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。 传感器原理及应用 设电子以相同的速度v按图示方向运动，在磁感应强度B的磁场作用下，并设其正电荷所受洛仑兹力方向为正，则电子受到的洛仑兹力可用下式表示 fL=-evB(8?1) 式中 e——电子电量。 传感器原理及应用 与此同时，霍尔电场作用于电子的力fE可表示为 fE=(-e)(-EH)=eUHb(8?2) 式中 -EH——指电场方向与所规定的正方向相反; b——霍尔元件的宽度。 当达到动态平衡时，二力代数和为零，即fL+fE=0，于是得 vB=UHb(8?3) 又因为 j=-nev 式中 j——电流密度; n——单位体积中的电子数，负号表示电子运动方向与电流方向相反。 传感器原理及应用 于是电流强度I可表示为 I=-nevbd v=-I/nebd (8-4) 式中 d——霍尔元件的厚度。 将(8-4)式代入(8-3)式，得 UH=-IB/ned(8-5) 若霍尔元件采用P型半导体材料，则可推导出 UH=IB/ped(8-6) 式中 p——单位体积中空穴数。 由(8-5)式及(8-6)式可知，根据霍尔电势的正负可以判别材料的类型。 传感器原理及应用 (二)霍尔系数和灵敏度 设RH=1/ne，则(8?5)式可写成 UH=-RHIB/